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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-07-05
(45)【発行日】2024-07-16
(54)【発明の名称】光子検出システムおよび方法
(51)【国際特許分類】
H04B 10/69 20130101AFI20240708BHJP
H04B 10/70 20130101ALI20240708BHJP
【ＦＩ】
H04B10/69 110
H04B10/70
【請求項の数】
23
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023023739
(22)【出願日】2023-02-17
(65)【公開番号】P2024038972
(43)【公開日】2024-03-21
【審査請求日】2023-02-20
(31)【優先権主張番号】2213116.3
(32)【優先日】2022-09-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】ミルコ サンザロ
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー ミヤーズ
(72)【発明者】
【氏名】ジェームス エフ ダインズ
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー シンプキンス
(72)【発明者】
【氏名】アンドリュー ジェームス シールズ
【審査官】鴨川 学
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２００７／１０２４３０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００８／０１２８６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２００６－５１０２４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１１４７１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２４３６９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－１４２７２４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ １０／６９
Ｈ０４Ｂ １０／７０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入射光子に応答してフォトダイオード信号を生成するように構成されたアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードにゲーティング信号を供給するように構成されたバイアス回路であって、ここにおいて、前記ゲーティング信号が、各期間中に光子検出のためにその降伏電圧を上回っておよび下回って前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるように構成された周期的信号である、バイアス回路と、
入力ポートにおいて、前記フォトダイオード信号を受信し、
第１の出力ポートにおいて、前記受信されたフォトダイオード信号に、前記ゲーティング信号の周波数以下である第１のカットオフ周波数をもつローパスフィルタを適用することによって、第１のフィルタ処理された出力信号を提供する
ように構成された無反射フィルタ回路と、
を備える光子検出システム。
【請求項2】
前記ゲーティング信号が、前記第１のカットオフ周波数よりも高いゲート周波数を有する、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項3】
前記無反射フィルタ回路が、第２の出力ポートにおいて、前記受信されたフォトダイオード信号に、第２のカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを適用することによって、第２のフィルタ処理された出力信号を提供するようにさらに構成される、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項4】
前記第１のカットオフ周波数と前記第２のカットオフ周波数が同じである、請求項３に記載の光子検出システム。
【請求項5】
前記第２のフィルタ処理された出力信号に基づいて信号電力を決定するように構成された電力計測回路をさらに備える、請求項３に記載の光子検出システム。
【請求項6】
前記バイアス回路が、前記決定された信号電力に基づいて生成されたフィードバック信号を受信し、前記フィードバック信号に基づいて、ターゲットゲーティング信号を整合させるように前記ゲーティング信号を調整するようにさらに構成される、請求項５に記載の光子検出システム。
【請求項7】
前記無反射フィルタ回路がダイプレクサである、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項8】
前記第１のフィルタ処理された出力信号に基づいて電気パルスを出力するように構成されたディスクリミネータ回路をさらに備える、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項9】
前記ゲーティング信号が矩形波または正弦曲線の形をとる、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項10】
前記ゲーティング信号が、１ＧＨｚよりも大きいゲート周波数を有する、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項11】
前記アバランシェフォトダイオードがＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ単一光子アバランシェフォトダイオードである、請求項１に記載の光子検出システム。
【請求項12】
少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを送信するように構成された送信機と、請求項１に記載の光子検出システムを備える受信機と
を備える量子通信システム。
【請求項13】
アバランシェフォトダイオードを用いて光子を検出する方法であって、前記アバランシェフォトダイオードにゲーティング信号を供給することであって、ここにおいて、前記ゲーティング信号が、各期間中に光子検出のためにその降伏電圧を上回っておよび下回って前記アバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるように構成された周期的信号である、ゲーティング信号を供給することと、
無反射フィルタ回路に、入射光子に応答して前記アバランシェフォトダイオードによって生成されたフォトダイオード信号を提供することと、
前記無反射フィルタ回路の第１の出力ポートにおいて、前記提供されたフォトダイオード信号に、前記ゲーティング信号の周波数以下である第１のカットオフ周波数をもつローパスフィルタを適用することによって、第１のフィルタ処理された出力信号を提供することと
を備える方法。
【請求項14】
前記ゲーティング信号が、前記第１のカットオフ周波数よりも高いゲート周波数を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記無反射フィルタ回路の第２の出力ポートにおいて、前記提供されたフォトダイオード信号に、第２のカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを適用することによって、第２のフィルタ処理された出力信号を提供することをさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項16】
前記第１のカットオフ周波数と前記第２のカットオフ周波数が同じである、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
電力計測回路によって、前記第２のフィルタ処理された出力信号に基づいて信号電力を決定することをさらに備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項18】
前記決定された信号電力に基づいて生成されたフィードバック信号を受信することと、前記フィードバック信号に基づいて、ターゲットゲーティング信号を整合するように前記ゲーティング信号を調整することと
をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記無反射フィルタ回路がダイプレクサである、請求項１３に記載の方法。
【請求項20】
前記第１のフィルタ処理された出力信号内の光子励起スパイクの存在または不在を決定することと、前記第１のフィルタ処理された出力信号内の前記光子励起スパイクの存在を決定することに応答して、電気信号を出力として生成することと
をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項21】
前記ゲーティング信号が矩形波または正弦曲線の形をとる、請求項１３に記載の方法。
【請求項22】
前記ゲーティング信号が、１ＧＨｚよりも大きいゲート周波数を有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項23】
前記アバランシェフォトダイオードがＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ単一光子アバランシェフォトダイオードである、請求項１３に記載の方法。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書において説明される実施形態は、光子検出システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
単一光子検出器は、単一光子のレベルで弱い光パルスを検出するために、飛行時間型測距、医療イメージング、および量子通信などの適用例において用いられる。単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）は、可視および近赤外線（ＮＩＲ）光学的測距における高速単一光子検出に一般に用いられる単一光子検出器のタイプである。
【0003】
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤは、電気通信波長における光子検出に用いられる。ダークカウントおよびアフターパルスの可能性を低減するために、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ＳＰＡＤは通常、ゲート制御モードで動作される。一般に「ゲート」と呼ばれる周期的バイアス信号が、各期間中にデバイスを作動状態にし、クエンチするためにＳＰＡＤに印加される。ゲート制御モード動作は典型的には、ゲート信号とのパルス光源同期を用いた適用例において、すなわち光子の潜在的到達時間が知られている適用例において、信号対雑音比を向上させる。
【発明の概要】
【0004】
本発明の第１の態様によれば、アバランシェフォトダイオードとバイアス回路と無反射フィルタ回路とを備える光子検出システムが提供される。アバランシェフォトダイオードは、入射光子に応答してフォトダイオード信号を生成するように構成される。バイアス回路は、アバランシェフォトダイオードにゲーティング信号を供給するように構成される。ゲーティング信号は、各期間中に光子検出のためにその降伏電圧を上回っておよび下回ってアバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるように構成された周期的信号である。無反射フィルタ回路は、入力ポートにおいて、フォトダイオード信号を受信し、第１の出力ポートにおいて、受信されたフォトダイオード信号に、第１のカットオフ周波数をもつローパスフィルタを適用することによって、第１のフィルタ処理された出力信号を提供するように構成される。ゲーティング信号は、第１のカットオフ周波数よりも高いゲート周波数を有してよい。
【0005】
無反射フィルタ回路は、第２の出力ポートにおいて、受信されたフォトダイオード信号に、第２のカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを適用することによって、第２のフィルタ処理された出力信号を提供するようにさらに構成されることがある。第１のカットオフ周波数と第２のカットオフ周波数は、実質的に同じであってよい。
【0006】
光子検出システムは、第２のフィルタ処理された出力信号に基づいて信号電力を決定するように構成された電力計測回路をさらに備えることがある。バイアス回路は、決定された信号電力に基づいて生成されたフィードバック信号を受信し、このフィードバック信号に基づいて、ターゲットゲーティング信号を整合させるようにゲーティング信号を調整するようにさらに構成されることがある。
【0007】
無反射フィルタ回路は、ダイプレクサであってよい。
【0008】
光子検出システムは、第１のフィルタ処理された出力信号に基づいて電気パルスを出力するように構成されたディスクリミネータ回路をさらに備えることがある。
【0009】
ゲーティング信号は、矩形波または正弦曲線の形をとってよい。ゲーティング信号は、１ＧＨｚよりも大きいゲート周波数を有してよい。アバランシェフォトダイオードは、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ単一光子アバランシェフォトダイオードであってよい。
【0010】
本発明の第２の態様によれば、少なくとも２つの基底から選択された基底を用いて符号化された光パルスを送信するように構成された送信機と、光子検出システムを備える受信機とを備える量子通信システムが提供される。
【0011】
本発明の第３の態様によれば、アバランシェフォトダイオードを用いて光子を検出する方法が提供される。この方法は、アバランシェフォトダイオードにゲーティング信号を供給すること、ここにおいて、このゲーティング信号は、各期間中に光子検出のためにその降伏電圧を上回っておよび下回ってアバランシェフォトダイオードに逆バイアスをかけるように構成された周期的信号である、を備える。方法は、無反射フィルタ回路に、入射光子に応答してアバランシェフォトダイオードによって生成されたフォトダイオード信号を提供することをさらに備える。方法は、無反射フィルタ回路の第１の出力ポートにおいて、提供されたフォトダイオード信号に、第１のカットオフ周波数をもつローパスフィルタを適用することによって、第１のフィルタ処理された出力信号を提供することをさらに備える。
【0012】
方法は、無反射フィルタ回路の第２の出力ポートにおいて、受信されたフォトダイオード信号に、第２のカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを適用することによって、第２のフィルタ処理された出力信号を提供することをさらに備える。
【0013】
方法は、電力計測回路によって、第２のフィルタ処理された出力信号に基づいて信号電力を決定することをさらに備える。
【0014】
方法は、決定された信号電力に基づいて生成されたフィードバック信号を受信することと、このフィードバック信号に基づいて、ターゲットゲーティング信号を整合するようにゲーティング信号を調整することとをさらに備えることがある。
【0015】
方法は、第１のフィルタ処理された出力信号内の光子励起スパイクの存在または不在を決定することと、第１のフィルタ処理された出力信号内の光子励起スパイクの存在を決定することに応答して、電気信号を出力として生成することとをさらに備えることがある。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】光子検出システムの概略図。
【図3】ＳＰＡＤによって生成される電気信号の電力スペクトルを示す、周波数に対する電力の概略プロット。
【図4】ローパスフィルタを通過した後の、ＳＰＡＤによって生成される電気信号の電力スペクトルを示す、周波数に対する電力の概略プロット。
【図6】ハイパスフィルタを通過した後の、ＳＰＡＤによって生成される電気信号の電力スペクトルを示す、周波数に対する電力の概略プロット。
【図11】本発明による光子検出システムを用いる量子通信システムの概略図。
【発明を実施するための形態】
【0017】
図１は、到来する単一光子の検出に用いられ得る光子検出システム１の概略図である。光子検出システム１は、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）２と、バイアス回路とを備える。ＳＰＡＤ２が、その降伏電圧を上回ってバイアスがかけられるとき、ＳＰＡＤ２によって吸収される光子は電子－正孔対を生成し、このことは、過剰キャリアのアバランシェをトリガすることができる。過剰キャリアのこのアバランシェ増倍は、ＳＰＡＤ２を通る巨視的な電流の流れを起こす。ＳＰＡＤ２に接続された電気回路は、アバランシェ電流を検出し、検出された光子を示すディジタル信号を出力する。
【0018】
図１をさらに参照すると、光子検出システム１は、ＤＣ入力電圧を受信するための第１の入力端子８と、ＡＣ入力電圧を受信するための第２の入力端子５とを備える。第２の入力端子５は、受けられたＡＣ入力電圧を増幅させるように構成された増幅器６に接続される。光子検出システム１は、第１の入力端子８および増幅器６の出力に接続されたバイアスティー回路４をさらに備える。バイアスティー回路４は、キャパシタ９と、インダクタ１０とを含み、バイアスティー回路４の出力上で合成電圧を作成するためにＡＣ入力電圧とＤＣ入力電圧を結びつけるように構成される。
【0019】
ＳＰＡＤ２のカソードは、第１の伝送線路１１を通じてバイアスティー回路４の出力に接続され、バイアスティー回路４から合成電圧を受信するように構成される。キャパシタ１３と抵抗器１４とを備え、バイアスティー回路４からの合成電圧によって起こされた反射を抑えるように構成されたＡＣ終端回路１２も、ＳＰＡＤ２のカソードに接続される。
【0020】
ＳＰＡＤ２のアノードは、抵抗器３を通じて接地７に接続される。キャパシタ１５の第１の端子は、ＳＰＡＤ２のアノードと抵抗器３との間に接続される。キャパシタ１５の第２の端子は、第２の伝送線路１６を通じて無反射フィルタ回路１７の入力ポートに接続される。無反射フィルタ回路１７は、カットオフ周波数ｆLPによって特徴づけられるローパスフィルタ１８を備える。カットオフ周波数ｆLPは、ゲート繰り返し周波数ｆgateよりも低い。
【0021】
無反射フィルタ回路１７の入力ポートは、周波数ｆnon-reflまで第２の伝送線路１６にインピーダンス整合される。言い換えれば、無反射フィルタ回路１７は、ＳＰＡＤ２に戻る反射を回避するように構成される。周波数ｆnon-reflは、ゲート繰り返し周波数ｆgateよりも高く、ゲート繰り返し周波数ｆgateよりも３倍高くてよい。周波数ｆnon-reflよりも低い周波数における信号の場合、無反射フィルタ回路１７のリターンロスは、３ｄＢよりも高くてよく、または好ましくは、１０ｄＢよりも高くてよい。周波数ｆnon-reflを下回り、カットオフ周波数ｆLPを上回る周波数における信号は、無反射フィルタ回路１７によって吸収されてよい。
【0022】
無反射フィルタ回路１７の出力は、増幅器１９に接続される。増幅器１９は、低雑音増幅器であってよい。増幅器１９の出力は、ディスクリミネータ２０の第１の入力ポートに接続される。ディスクリミネータ２０は、増幅器１９の出力信号が、ディスクリミネータ２０の第２の入力ポート２１に印加される所定の電圧レベルと判別されるように構成される。ディスクリミネータ２０は、検出器出力２２を送るために、ディジタル信号、たとえばＴＴＬパルスを出力するようにさらに構成される。
【0023】
光子検出システム１の動作中、ＳＰＡＤ２は、第１の入力端子８と接地７との間に印加されるＤＣバイアスＶbiasおよび第２の入力端子５と接地７との間に印加されるゲーティング信号Ｖgateによって、逆バイアスがかけられる。
【0024】
ゲーティング信号Ｖgateは、ゲート繰り返し周波数ｆgateをもつ周期的電圧信号である。ゲート繰り返し周波数ｆgateは、１ＧＨｚ以上であってよい。ゲーティング信号Ｖgateは、調整可能なデューティサイクルをもつ矩形波、正弦曲線、または恣意的な周期波の形をとってよい。ＤＣバイアスＶbiasは、ＳＰＡＤ２の降伏電圧Ｖbを下回る、これに等しい、またはこれよりも高い、のいずれかに設定される。いずれの場合にも、重畳ゲーティング信号Ｖgateは、次いで、ＳＰＡＤ２を所定の量の時間にわたって単一光子の感度が高くするために、降伏電圧を上回るようにＳＰＡＤ２に周期的にバイアスをかける。たとえば、図２は、降伏電圧２４を周期的に超過するＤＣバイアス２３と結びつけられた矩形波形のゲーティング信号２５を示す。
【0025】
ＳＰＡＤ２が、その降伏電圧を上回るようにバイアスがかけられるとき、吸収された光子は、ＳＰＡＤ２内で電子－正孔対を生成し、これは、分離時に、過剰キャリアのアバランシェをトリガすることができる。過剰キャリアのこのアバランシェ増倍は、ＳＰＡＤ２を通る巨視的な電流の流れを起こし、抵抗器３上での過渡電圧降下をもたらす。言い換えれば、吸収された光子は、抵抗器３上の電圧スパイクの形をとる検出可能な信号につながる。光子吸収によって起こされる信号の電力スペクトルは、図３に示される広い電力スペクトル２６を有することがある。電力スペクトル２６は、増加する周波数とともに減少する。光子信号の全（bulk）スペクトル重みは一般的には、１ＧＨｚに等しいまたはこれを上回るゲート繰り返し周波数のためのゲート繰り返し周波数ｆgateよりも低い。
【0026】
ＳＰＡＤ２は有限の静電容量を有するので、ゲーティング信号Ｖgateは、抵抗器３上でさらなる電圧パルスを起こす。ゲーティング信号Ｖgateが矩形波の形をとるとき、ゲーティング信号Ｖgateの立ち上がりエッジに到達するとき、ＳＰＡＤ２によって正の電圧パルスが生成され、これに続いて、ゲーティング信号Ｖgateの立ち下がりエッジに到達するとき、負の電圧パルスが生成される。ゲーティング信号Ｖgateによって起こされるこれらの疑似過渡事象の振幅は、光子吸収によって起こされる信号の振幅よりも大きくすることができる。その結果、疑似過渡事象は、光子吸収信号を不明瞭にすることができる。疑似過渡事象は一般的には、光子信号の電力スペクトル２６とは実質的に相違する電力スペクトルを有する。ゲーティング信号Ｖgateが矩形波の形をとるとき、疑似過渡事象の電力スペクトルは、ゲート繰り返し周波数ｆgateおよびその高調波における狭帯域のセットからなる。図３を参照すると、疑似過渡事象の電力スペクトルは、ゲート繰り返し周波数２７ならびにその第２次調波２８および第３次調波２９においてかなりの成分を含むことがあり、それによって、電力は、より高い周波数とともに減少する。
【0027】
ＳＰＡＤ信号は、キャパシタ１５および第２の伝送線路１６を通して、無反射フィルタ回路１７の入力ポートに結合される。無反射フィルタ回路１７に含まれるローパスフィルタ１８は、カットオフ周波数ｆLPを下回る入力信号の周波数成分を通過させ、カットオフ周波数ｆLPを上回る周波数において周波数成分を強く減衰させる。ローパスフィルタ１８は、図４に示される周波数依存透過３１を有してよい。
【0028】
カットオフ周波数ｆLPはゲート繰り返し周波数ｆgateよりも低いので、ローパスフィルタ１８は、ゲート繰り返し周波数ｆgateおよびその高調波における狭帯域のセットからなる疑似過渡事象の周波数成分を透過しない、または少なくとも、無視できるレベルまで減衰させる。にもかかわらず、カットオフ周波数ｆLPは、光子吸収によって起こされる信号の広い電力スペクトル２６の大部分を通過させるのに十分に高い。言い換えれば、ローパスフィルタ１８は、光子吸収によって起こされる信号のかなりの部分を通過させながら、疑似過渡事象の周波数成分を除去する。例では、図３の破線３０は、カットオフ周波数ｆLPを示す。
【0029】
図４は、ローパスフィルタ１８を通過した後の、光子吸収によって起こされる信号の電力スペクトル３２を示す。ローパスフィルタ１８は、光子吸収によって起こされる信号の広い電力スペクトル２６の５０％、７５％、または９０％よりも多く通過させるように構成されることがある。好ましくは、カットオフ周波数ｆLPは、ＳＰＡＤ２の－３ｄＢアバランシェ帯域幅、すなわち、それを上回ると光子吸収によって起こされる信号のスペクトル電力がそのピーク電力の半分よりも小さい周波数、に整合するかまたはこれに近い。
【0030】
無反射フィルタ回路１７は第２の伝送線路１６にインピーダンス整合されるので、ローパスフィルタ１８を通って透過されないＳＰＡＤ信号、すなわち大部分は疑似ゲート過渡現象、のエネルギーは、ＳＰＡＤ２に反射されない。これは、ＳＰＡＤ２は、光子検出システム１の性能を妨げることができるそのような帰還エネルギーに対する感度が高いので、有利である。たとえば、ゲーティング信号Ｖgateが矩形波の形をとるとき、反射されたゲート過渡事象は、ＳＰＡＤ２において干渉することがあり、その後のゲーティング信号は、ゲート持続時間内の有効検出効率の平坦性を損なう。
【0031】
無反射フィルタ回路１７を通過した後、フィルタ処理されたＳＰＡＤ信号は、ＳＰＡＤ信号内の光子励起スパイクの存在または不在を決定するために、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に通過される。フィルタ処理されたＳＰＡＤ信号が所定の電圧レベルを超える場合、ディスクリミネータ２０は、フィルタ処理されたＳＰＡＤ信号を論理的ハイ信号、たとえばハイＴＴＬパルスに変換させ、この論理的ハイ信号は、検出器出力２１において出力される。
【0032】
一実施形態では、カットオフ周波数とゲート繰り返し周波数の正確な整合が必要とされるので、ローパスフィルタ１８は、ＳＰＡＤ信号をフィルタ処理するために用いられる。これは、高度な製作公差を用い、工場校正を実行し、メンテナンスを実行する必要性を緩和するので、システムの製造の容易性を向上させる。さらに、ローパスフィルタ１８の使用は、光子検出システム１が、その性能を著しく劣化させることなくゲート繰り返し周波数の範囲にわたって働くことを可能にする。ゲート繰り返し周波数の変動の許容差は特に、量子通信における適用例に有利であり、ゲート繰り返し周波数は、多くの場合、他のシステム構成要素、たとえば光子源または光学干渉計に整合される。
【0033】
一実施形態では、光子検出システム１は、増幅器６を含まないことがある。この場合、第２の端子５で受信されたＡＣ入力電圧は、さらなる増幅が必要とされないように、十分な振幅であってよい。
【0034】
図５は、図１の光子検出システムの変形形態を示す。不必要な繰り返しを回避するために、同じ参照番号は、同じ特徴を表すために用いられる。ＳＰＡＤ２のバイアスおよびＳＰＡＤ２によって生成される信号は、図１を参照しながら説明されたとおりである。
【0035】
ＳＰＡＤ信号は、キャパシタ１５および第２の伝送線路１６を通して、無反射フィルタ回路３４の入力ポートに結合される。無反射フィルタ回路３４は、ローパスフィルタ１８を含む。ローパスフィルタ１８の出力は、図１を参照しながら説明されたように、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に通過される。
【0036】
光子検出システム３３の無反射フィルタ回路３４は、ハイパスフィルタ３５をさらに含む。ハイパスフィルタ３５は、カットオフ周波数ｆHPによって特徴づけられる。カットオフ周波数ｆHPは、繰り返し周波数ｆgateよりも低い。好ましくは、カットオフ周波数ｆHPとカットオフ周波数ｆLPは実質的に同じである。ハイパスフィルタ３５は、図６に示されるように、周波数依存透過３７を有してよい。無反射フィルタ回路３４は、ダイプレクサであってよい。カットオフ周波数ｆHPとカットオフ周波数ｆLPが実質的に同じであり、無反射フィルタ回路３４がダイプレクサであるとき、カットオフ周波数ｆLPとｆHPは電気的に同調可能であってよい。
【0037】
ハイパスフィルタ３５の入力ポートとローパスフィルタ１８の入力ポートは両方とも、無反射フィルタ回路３４の入力ポートに接続される。ハイパスフィルタ３５の出力は、電力計測デバイス３６に接続される。電力計測デバイス３６は、ハイパスフィルタ３５の出力における電力レベルを決定するように構成される。電力計測デバイス３６は、ハイパスフィルタ３５および／またはＳＰＡＤ２に戻る反射を回避するように、入力インピーダンスを有するようにさらに構成される。
【0038】
図１の光子検出システム１の無反射フィルタ回路１７のように、光子検出システム３３の無反射フィルタ回路３４は、周波数ｆnon-reflまで第２の伝送線路１６にインピーダンス整合される。言い換えれば、無反射フィルタ回路３４は、ＳＰＡＤ２に戻る反射を回避するように構成される。
【0039】
光子検出システム３３の動作中、ＳＰＡＤ信号は、無反射フィルタ回路３４の入力ポートに結合される。無反射フィルタ回路３４に含まれるローパスフィルタ１８は、図１を参照しながら説明されたように、カットオフ周波数ｆLPを下回る入力信号の周波数成分を、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に通過させる。無反射フィルタ回路３４に含まれるハイパスフィルタ３５は、カットオフ周波数ｆHPを上回る入力信号の周波数成分を電力計測デバイス３６に通過させる。
【0040】
図６は、ハイパスフィルタ３５を通過した後の、光子吸収によって起こされる信号の電力スペクトル３８と、疑似過渡事象の電力スペクトルとを示す。カットオフ周波数ｆHPはゲート繰り返し周波数ｆgateよりも低いので、ハイパスフィルタ３５は、ゲート繰り返し周波数ｆgate２５およびその高調波２６、２７における狭帯域のセットからなる疑似過渡事象の周波数成分を通過させる。にもかかわらず、カットオフ周波数ｆHPは、光子吸収によって起こされる信号の広い電力スペクトル３８の大部分をブロックするのに十分に高い。言い換えれば、ハイパスフィルタ３５は、ハイパスフィルタ３５の出力において電力計測デバイス３６によって決定される電力レベルが主に疑似過渡事象によって起こされるように構成される。
【0041】
電力計測デバイス３６によって決定される電力レベルは、光子検出システム３３の動作中にゲーティング信号Ｖgateの電力を監視するために用いられることがある。計測された電力レベルは、たとえば、温度変化、振動、または構成要素の経年変化によるドリフトにもかかわらず、ゲーティング信号Ｖgateの均一な振幅を維持するためにフィードバック信号としてさらに用いられることがある。このために、受信されたＡＣ入力電圧を増幅させるために用いられる増幅器６の利得は、自動利得（ＡＧＣ）サーボループを実行するように調整されることがある。温度変化、振動、および／または構成要素の経年変化が、所定のしきい値よりも低くするために電力計測デバイス３６によって決定される電力レベルを起こす例では、受信されたＡＣ入力電圧を増幅させるために用いられる増幅器６の利得は、増加されることがある。温度変化、振動、および／または構成要素の経年変化が、所定のしきい値よりも高くするために電力計測デバイス３６によって決定される電力レベルを起こす例では、受信されたＡＣ入力電圧を増幅させるために用いられる増幅器６の利得は、減少されることがある。
【0042】
光子検出システム３３の動作中にゲーティング信号Ｖgateの振幅を監視および安定化させることは、このことが、一般にシステムの、特に検出効率、ダークカウント率、アフターパルシング、およびタイミング応答の、長期安定性を向上させるので、有利である。
【0043】
無反射フィルタ３４としてダイプレクサを用いることは、このことが、光子検出システム３３の複雑さ要件と、コスト要件と、占有面積要件とを低減するので、さらに有利である。
【0044】
図７および図８に示される実験結果が、以下の仕様とともに図５で説明される光子検出システム３３を用いて得られた。ゲーティング信号Ｖgateは矩形波の形をとる。ゲート繰り返し周波数ｆgateは１ＧＨｚである。無反射フィルタ回路３４は、ローパスフィルタ１８とハイパスフィルタ３５とを備える表面実装ダイプレクサである。カットオフ周波数ｆLPおよびｆHPは、約８００ＭＨｚである。
【0045】
図７の上部パネル３９は、ＳＰＡＤ２による光子の吸収に応答して生成されるローパスフィルタ１８の出力における信号４０と、対応するディスクリミネータ２０の出力信号４１に関する、時間に対する電圧を示す。図７の中央パネル４２は、上部パネル３９に示される信号４０の繰り返される収集の蓄積４３を示す。対応して、下部パネル４４は、繰り返される収集に対応する、ディスクリミネータ２０の出力信号４１の蓄積４５を示す。
【0046】
図８は、光子検出システム３３の検出効率に対するダークカウント確率を示す。データセット４６に関して、ゲーティング信号Ｖgateのデューティサイクルは５０％に設定され、ＳＰＡＤ２は－３０℃に冷却される。データセット４７、４８、および４９に関して、ゲーティング信号Ｖgateのデューティサイクルは２２％に設定され、ＳＰＡＤ２はそれぞれ、－３０℃、－４０℃、および－５０℃に冷却される。検出効率は、ＤＣバイアスＶbiasを変えることによって、変えられる。
【0047】
図５の光子検出システム３３の変形形態では、ハイパスフィルタ３５の出力は、電力計測デバイス３６ではなく、電力吸収擬似負荷へと終端される。電力吸収擬似負荷は、ハイパスフィルタ３５および／またはＳＰＡＤ２に戻る反射を回避する。
【0048】
図９は、図５の光子検出システムのさらなる変形形態を示す。ＳＰＡＤ２のバイアスおよびＳＰＡＤ２によって生成される信号は、図１を参照しながら説明されたとおりである。無反射フィルタ回路５１は、ローパスフィルタ１８と、ハイパスフィルタ５２とを含む。ローパスフィルタ１８の出力は、図１を参照しながら説明されたように、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に通過される。ハイパスフィルタ５２の出力は、電力計測デバイス３６に接続される。
【0049】
無反射フィルタ回路５１は、第１の帯域周波数および第２の帯域周波数ｆBP1およびｆBP2によって特徴づけられるバンドパスフィルタ５３をさらに含む。バンドパスフィルタ５３の出力は、第２の電力計測デバイス５４に接続される。バンドパスフィルタ５３は、第１の帯域周波数ｆBP1を上回り第２の帯域周波数ｆBP2を下回る周波数成分を第２の電力計測デバイス５４に通過させるように構成される。第１の帯域周波数ｆBP1は、ゲート繰り返し周波数ｆgateよりも低い。第２の帯域周波数ｆBP2は、第１の帯域周波数ｆBP1よりも高く、ゲート繰り返し周波数ｆgateの２倍よりも低い。言い換えれば、バンドパスフィルタ５３は、ゲート繰り返し周波数ｆgateの第２次調波または高調波をブロックしながら、ゲート繰り返し周波数ｆgateにおける信号を主に通過させるように構成される。カットオフ周波数ｆLPと第１の帯域周波数ｆBP1が実質的に同じであることが好ましい。カットオフ周波数ｆHPと第２の帯域周波数ｆBP2が実質的に同じであることがさらに好ましい。
【0050】
第２の電力計測デバイス５４は、バンドパスフィルタ５３の出力における電力レベルを決定するように構成される。第２の電力計測デバイス５４は、バンドパスフィルタ５３および／またはＳＰＡＤ２に戻る反射を回避するように、入力インピーダンスを有するようにさらに構成される。
【0051】
図１の光子検出システム１の無反射フィルタ回路１７のように、光子検出システム５０の無反射フィルタ回路５１は、周波数ｆnon-reflまで第２の伝送線路１６にインピーダンス整合される。言い換えれば、無反射フィルタ回路５１は、ＳＰＡＤ２に戻る反射を回避するように構成される。
【0052】
光子検出システム５０の動作中、ＳＰＡＤ信号は、無反射フィルタ回路５１の入力ポートに結合される。無反射フィルタ回路５１に含まれるローパスフィルタ１８は、図１を参照しながら説明されたように、カットオフ周波数ｆLPを下回る入力信号の周波数成分を、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に通過させる。第２の電力計測デバイス５４によって決定される電力レベルは主に、ゲート繰り返し周波数ｆgateにおける疑似過渡事象の狭いスペクトル帯域によって起こされる。電力計測デバイス３６によって決定される電力レベルは主に、ゲート繰り返し周波数ｆgateの高調波における疑似過渡事象の狭いスペクトル帯域のセットによって起こされる。
【0053】
電力計測デバイス３６および第２の電力計測デバイス５４によって決定される電力レベルは、光子検出システム５０の動作中にゲーティング信号Ｖgateの電力を監視するために用いられることがある。図５を参照しながら説明されたように、ゲーティング信号Ｖgateの振幅は、たとえば、温度変化、振動、または構成要素の経年変化によるドリフトにもかかわらず、決定された電力レベルに基づいて安定化され得る。
【0054】
電力計測デバイス３６および第２の電力計測デバイス５４によって決定される電力レベルは、ゲーティング信号Ｖgateの形状を監視および安定化するためにさらに用いられることがある。たとえば、所定の形状に対するゲーティング信号Ｖgateの形状の変化は、第２の電力計測デバイス５４によって決定される電力レベルに対する電力計測デバイス３６によって決定される電力レベルの変化から決定されることがある。そのようなゲーティング信号Ｖgateの形状の変化が決定されるとき、フィードバック信号は、ゲーティング信号Ｖgateの形状が復元され、所定の形状に整合するように、ゲーティング信号Ｖgateを生成するゲート波形ジェネレータに提供されることがある。ゲート波形ジェネレータは、ＲＦ ＤＡＣ（無線周波数ディジタル‐アナログ変換器）であってよい。
【0055】
一実施形態では、ゲーティング信号Ｖgateの形状は、光子検出システム５０の動作中に監視および安定化される。このことは、一般にシステムの、特に検出効率、ダークカウント率、アフターパルシング、およびタイミング応答の、長期安定性をさらに向上させる。
【0056】
図９の光子検出システム５０の変形形態では、無反射フィルタ回路は、バンドパスフィルタ５３ではなく、複数のバンドパスフィルタを含む。複数のバンドパスフィルタは、複数の電力計測デバイスの各々が、疑似過渡事象の電力スペクトルを作成する狭帯域のセットに対応する複数の狭いスペクトル帯域の１つにおいて電力レベルを決定するように構成されるように、対応する複数の電力計測デバイスに接続される。
【0057】
図１０は、図５の光子検出システムのさらに別の変形形態を示す。ＳＰＡＤ２のバイアスおよびＳＰＡＤ２によって生成される信号は、図１を参照しながら説明されたとおりである。図１０の光子検出システム６０は、第１のゲート繰り返し周波数ｆgate,1または第２のゲート繰り返し周波数ｆgate,2において動作可能である。
【0058】
ＳＰＡＤ信号は、キャパシタ１５および第２の伝送線路１６を通して、第１のスイッチ６１の入力に結合される。第１のスイッチ６１は、第１の出力ポートまたは第２の出力ポートのどちらかに入力信号をルーティングするように構成される。第１のスイッチ６１の第１の出力ポートは、第１の無反射フィルタ回路６２の入力ポートに接続され、第１のスイッチ６１の第２の出力ポートは、第２の無反射フィルタ６３の入力ポートに接続される。
【0059】
第１の無反射フィルタ回路６２は、カットオフ周波数ｆLP,1によって特徴づけられる第１のローパスフィルタ６５と、カットオフ周波数ｆHP,1によって特徴づけられる第１のハイパスフィルタ６４とを含む。カットオフ周波数ｆHP,1およびカットオフ周波数ｆLP,1は、第１のゲート繰り返し周波数ｆgate,1よりも低い。一実施形態では、カットオフ周波数ｆHP,1とカットオフ周波数ｆLP,1は、実質的に同じである。無反射フィルタ回路６２は、ダイプレクサであってよい。
【0060】
第２の無反射フィルタ回路６３は、カットオフ周波数ｆLP,2によって特徴づけられる第２のローパスフィルタ６６と、カットオフ周波数ｆHP,2によって特徴づけられる第２のハイパスフィルタ６７とを含む。カットオフ周波数ｆHP,2およびカットオフ周波数ｆLP,2は、第２のゲート繰り返し周波数ｆgate,2よりも低い。好ましくは、カットオフ周波数ｆHP,2とカットオフ周波数ｆLP,2は、実質的に同じである。無反射フィルタ回路６３は、ダイプレクサであってよい。
【0061】
第１のローパスフィルタ６５の出力ポートおよび第２のローパスフィルタ６６の出力ポートはそれぞれ、第２のスイッチ６８の第１の入力ポートおよび第２の入力ポートに接続される。第２のスイッチ６８は、第１の入力ポートまたは第２の入力ポートのどちらかにおいて、スイッチ６８の出力ポートに入力信号をルーティングするように構成される。第２のスイッチ６８の出力は、図１を参照しながら説明されたように、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に通過される。
【0062】
第１のハイパスフィルタ６４の出力ポートおよび第２のハイパスフィルタ６７の出力ポートはそれぞれ、第３のスイッチ６９の第１の入力ポートおよび第２の入力ポートに接続される。第３のスイッチ６９は、第１の入力ポートまたは第２の入力ポートのどちらかにおいて、スイッチ６９の出力ポートに入力信号をルーティングするように構成される。第３のスイッチ６９の出力ポートは、電力計測デバイス３６に接続される。
【0063】
図１の光子検出システム１の無反射フィルタ回路１７のように、光子検出システム６０の第１の無反射フィルタ回路および第２の無反射フィルタ回路６２、６３は、ＳＰＡＤ２に戻る反射を回避するようにインピーダンス整合される。
【0064】
光子検出システム６０が第１のゲート繰り返し周波数ｆgate,1で動作されるとき、第１のスイッチ６１は、第１の出力ポートに、それによって、第１の無反射フィルタ回路６２の入力ポートに、入力信号をルーティングするように設定される。この場合、第２のスイッチ６８は、第１の入力ポートにおいて、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に入力信号を通過させるように構成される。さらに、第３のスイッチ６９は、第１の入力ポートにおいて、電力計測デバイス３６に入力信号を通過させるように構成される。
【0065】
光子検出システム６０が第２のゲート繰り返し周波数ｆgate,2で動作されるとき、第１のスイッチ６１は、第２の出力ポートに、それによって、第２の無反射フィルタ回路６３の入力ポートに、入力信号をルーティングするように設定される。この場合、第２のスイッチ６８は、第２の入力ポートにおいて、増幅器１９、次いでディスクリミネータ２０に入力信号を通過させるように構成される。さらに、第３のスイッチ６９は、第２の入力ポートにおいて、電力計測デバイス３６に入力信号を通過させるように構成される。
【0066】
第１のゲート繰り返し周波数ｆgate,1は、１ＧＨｚであってよい。カットオフ周波数ｆHP,1およびカットオフ周波数ｆLP,1は、８００ＭＨｚであってよい。第２のゲート繰り返し周波数ｆgate,2は、１．５ＧＨｚであってよい。カットオフ周波数ｆHP,2およびカットオフ周波数ｆLP,2は、１．２ＧＨｚであってよい。
【0067】
第１のスイッチから第３のスイッチは、光子検出システムがその性能を妨げることなく２つの異なるゲート繰り返し周波数で動作可能であるように、ＳＰＡＤ信号のルーティングを可能にする。このことは、特に量子暗号の分野における適用例に関して、システムの柔軟性と実用的な有用性とを増やすので、有利である。
【0068】
図１０の光子検出システム６０の変形形態では、光子検出システムは、複数のＮ個の無反射フィルタ回路を含み、複数のＮ個の異なるゲート繰り返し周波数のいずれか１つで動作可能であり、ここで、Ｎは２よりも大きい整数である。複数のＮ個の異なるゲート繰り返し周波数から選択された、選択されたゲート繰り返し周波数に基づいて、第１のスイッチは、複数のＮ個の無反射フィルタ回路の１つへのＳＰＡＤ信号のための信号経路を選択するように構成される。第２のスイッチおよび第３のスイッチはそれぞれ、増幅器１９（次いでディスクリミネータ２０）に、および電力計測デバイス３６に、選択された無反射フィルタ回路の出力を通過させるように構成される。
【0069】
図１１は、本発明の一実施形態による量子通信システム７０の概略図である。量子通信システム７０は、アリスと呼ばれる送信機７１と、受信機であるボブ７２とを備える。アリス７１は、光ファイバ７３に沿ってボブ７２に符号化パルスを送信する。これは、一人の送信機と一人の受信機とをもつ単純なシステムであるが、同じ原理は、量子もつれシステムおよび複数の受信機またはルーターをもつシステムに適用可能であることは、留意されるべきである。
【0070】
その最も単純な形の送信機は、エンコーダ７５に光子パルスを出力するソース７４を備える。エンコーダは、２つ以上の基底の１つでパルスを符号化することができる。パルスを送信するために用いられる基底は、コントローラ７６によって制御される。デコーダ７７は、制御下の計測基底７８を選択することによって、パルスを復号する。計測基底が選択されると、デコーダは、検出器Ｄ１ ７９または検出器Ｄ２ ８０のどちらかにパルスを向ける。計測基底が、アリスの送信基底のそれを整合するためにデコーダによって適切に選択される場合、結果は、１００％の理論的精度とともに決定可能である。誤った基底が用いられる場合、どちらかの検出器は、５０％精度でカウントを登録することがある。検出器Ｄ１および／またはＤ２は、図１から図１０のいずれかを参照しながら説明されたタイプの光子検出システムである。
【0071】
当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明された実施形態に対して、さまざまな変形がなされ得ることを了解するであろう。たとえば、図１、図５、図９、または図１０の光子検出システムは、ローパスフィルタの出力を入力として受信し、出力が増幅器１９に通過される、従来のゲートキャンセル回路（gate cancellation circuit）をさらに含んでよい。従来のゲートキャンセル回路は、自己差分法（self-differencing technique）に基づいてよい。
【0072】
いくつかの実施形態が説明されてきたが、これらの実施形態は、例として提示されているにすぎず、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。実際、本明細書において説明される新規なデバイス、および方法は、さまざまな他の形態で実施されてよい。そのうえ、本明細書において説明されるデバイス、方法、および製品の形態におけるさまざまな省略、置き換え、および変更は、本発明の趣旨から逸脱することなく、なされてよい。添付の特許請求の範囲およびその等価物は、本発明の範囲および趣旨に含まれるそのような形態または変形例を包含することを意図するものである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
